基于肌电信号的膝关节力矩识别方法

针对动力型膝上假肢力矩控制问题,提出肌电信号(EMG)驱动模型与支持向量机回归模型相结合的膝关节力矩识别方法。首先,采集表面肌电信号分析肌肉力活性,建立EMG驱动模型计算残肢膝关节力矩。然后,建立支持向量机回归模型预测动力型假肢需提供的助力,驱动电机使其实现期望运动。仿真实验结果表明:该方法能够成功地识别膝上假肢所需提供的助力,所选方法具有可行性。利用残肢肌电信号可以识别膝关节力矩,为动力型膝上假肢的力矩控制提供了理论依据。

基于惯性传感网络的穿戴式步行膝关节力矩估计

目的通过惯性传感网络(inertial sensor network,ISN)估计多种步态下膝关节内翻力矩(knee adduction moment,KAM)和膝关节屈曲力矩(knee flexion moment,KFM)。方法12名健康成年男性穿戴8个惯性传感器(位于躯干、骨盆、左右大腿、左右小腿、左右脚)在不同步态下(改变足偏角、躯干摇晃角、步宽和步速)行走。使用ISN,并从中提取生物力学特征作为循环神经网络(recurrent neural network,RNN)模型的输入,用于估计KAM和KFM。结果整体KAM估计精度:相对均方根误差(relative root mean square error,rRMSE)为8.54%,r=0.84;整体KFM估计精度:rRMSE=6.40%,r=0.94。结论该RNN模型可作为实验室外膝关节载荷估计的基础,潜在应用领域包括步态训练以及膝关节术后康复效果评估。

膝骨关节炎女性伸膝肌力、步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩关系

背景:已有研究表明膝骨关节炎患者的膝关节力矩会发生改变,但对于力矩变化与伸膝肌力及步态时空参数之间的相关性报道较少。目的:探索女性膝骨关节炎患者伸膝肌力及步态时空参数与峰值膝关节屈曲/内收力矩之间的相关性。方法:选取2022年2-8月在北京积水潭医院贵州医院住院治疗的20例单膝患病女性膝骨关节炎患者作为膝骨关节炎组,另外选取20例无肌肉骨骼疾病的女性健康人作为对照组。利用Biodex等速仪测量60(°)/s向心伸膝肌力,并采用意大利BTS红外运动捕捉系统和测力台采集步态时空参数和峰值膝关节屈曲力矩和膝关节内收力矩。通过Pearson相关性分析探索肌力、步态时空参数和峰值膝关节内收力矩和膝关节屈曲力矩的关联,并进一步将与膝关节力矩显著相关的变量纳入多元逐步回归分析。结果与结论:①与对照组相比,膝骨关节炎组60(°)/s向心伸膝肌力、步速、步频、步长以及峰值膝关节屈曲力矩均更低(P<0.05);②Pearson相关性分析结果显示60(°)/s向心伸膝肌力、步速、步频、步长与峰值膝关节屈曲力矩呈正相关,与峰值膝关节内收力矩呈负相关,差异有显著性意义(P<0.05);③多元逐步回归结果显示,步速和60(°)/s向心伸膝肌力是峰值膝关节屈曲力矩的最强预测因子,其中两因素合计的R^(2)值为0.426,表明可解释该参数方差总变异的42.6%;步长和60(°)/s向心伸膝肌力是峰值膝关节内收力矩的最强预测因子,两因素合计的R^(2)值为0.602,表明可解释该参数方差总变异的60.2%;④结果提示,伸膝肌力、步速和步长是影响峰值膝关节内收力矩和膝关节屈曲力矩的主要变量;这些变量可用于临床步态监测和指导,以在膝骨关节炎康复期间改变膝关节负荷。

不同站距下硬拉技术的膝关节力学和肌电图分析

目的:比较站距比肩宽为1、1.5、2下硬拉技术的肌肉活动特征和膝关节力矩。方法:采用文献资料法、实验法、数理统计法等研究方法,利用8台Qualisys600系列红外摄像头、1块AMTI-0.5m测力台、DELSY表面肌电与QTM运动捕捉系统收集8名受试者在8RM强度下的相关数据,并采用Opensim、MATLAB和SPSS进行数据处理。结果:与肩同宽站姿硬拉技术的内侧腓肠肌激活程度显著大于1.5倍肩宽硬拉(P<0.05),且股外侧肌、股内侧肌和胫骨前肌显著小于1.5倍肩宽(P<0.05);站姿为1.5倍肩宽硬拉的内侧腓肠肌激活程度显著大于2倍肩宽硬拉(P<0.05),且股外侧肌、股内侧肌和胫骨前肌显著小于2倍肩宽(P<0.05);站姿为2倍肩宽下的膝关节屈曲和内收力矩显著大于1.5倍肩宽(P<0.05),1.5倍肩宽下的屈曲内收力矩显著大于与肩同宽硬拉(P<0.05)。结论:随站姿间距增大,股内侧肌、股外侧肌、胫骨前肌的激活程度随之增高,内侧腓肠肌降低,膝关节屈曲力矩和内收力矩随之增高。

足前进角对不同年龄膝关节炎患者下肢动力学影响的系统综述和Meta分析

目的:膝关节内收力矩(knee adduction moment,KAM)双峰及膝关节内收角冲量(knee adduction angular impulse,KAAI)增大是膝关节骨性关节炎主要的生物力学危险因素。据调查,调整足前进角可改变膝关节骨性关节炎患者运动模式,然而足内偏、足外偏对青年、老年患者KAM和KAAI的影响未达成共识。因此文章通过Meta分析综合论述足前进角对不同人群膝关节骨性关节炎患者KAM、KAAI的影响,为治疗膝关节骨性关节炎提供借鉴。方法:截至2022年6月,以“足前进角,膝关节内收力矩,膝关节内收角冲量,步态”为中文检索词,以“foot progression angle,knee adduction moment,knee adduction angular impulse,gait”为英文检索词在Web of Science、EBSCO、PubMed和中国知网数据库进行检索。纳入分析足内偏、足外偏对KAM双峰和KAAI影响的自身对照和随机对照试验。运用Cochrane偏倚风险评估工具对纳入文献进行文献质量评价,采用Stata 15.1软件进行亚组分析确定不同足前进角对步行KAM及KAAI的影响,应用Meta回归进一步确定结局指标(KAM及KAAI)随足前进角变化的特征。结果:(1)共15项自身对照试验和2项随机对照试验(455名受试者)纳入Meta分析,所纳入文献均为中、高质量文献。(2)Meta分析结果显示,足内偏可减小青年患者KAM第一峰值(SMD=-0.380,95%CI:-0.710至-0.060,P=0.022)和KAAI(SMD=-1.470,95%CI:-2.160至-0.770,P<0.001),足外偏降低了青年患者KAM第二峰值(SMD=-0.720,95%CI:-1.010至-1.440,P<0.001)。此外,足内偏减了小老年患者KAM第一峰值(SMD=-0.550,95%CI:-0.800至-0.300,P<0.001),但有增高KAM第二峰值的作用(SMD=0.280,95%CI:-0.010-0.560,P=0.047),足外偏可降低该人群KAM第二峰值(SMD=-0.510,95%CI:-0.830至-0.190,P=0.002)。(3)Meta回归显示,老年患者的足外偏程度越大,KAM第二峰值越低。结论:(1)足内偏降低了18-34岁的青年膝关节骨性关节炎患者的KAM第一峰值、KAAI,由于KAM、KAAI与膝关节内侧负荷、膝关节骨性关节炎发病率相关,因此足内偏步态干预可能是青年患者适合的康复策略。(2)足内偏增高了60岁以上老年膝关节骨性关节炎患者的KAM第二峰值,可能会加重这类人群膝关节骨性关节炎的程度,然而,该人群步行时KAM第二峰值会随足外偏程度的增大而减小,有助于降低膝关节内侧负荷,提示老年患者可以考虑在步行时采用足外偏步态。

基于表面肌电信号Wigner-Ville分布的人体膝关节力矩预测

目的:提出一种基于表面肌电信号时频分析的预测膝关节力矩的新方法。方法:受试者完成递增负重蹲起实验,采集股直肌的表面肌电信号进行时频分析,获得基于Wigner-Ville分布的表面肌电信号在时间和频率的二维平面上的能量密度,并由此估算出能够反映肌肉瞬时做功能力的敏感指标——瞬时平均频率功率。结果:以股直肌的瞬时平均频率功率和膝角为自变量,获得的二元线性回归方程可以有效预测膝关节瞬时力矩的大小。结论:表面肌电信号瞬时平均频率功率能实时反映肌肉的做功能力,可作为预测膝关节力矩和预防膝关节损伤的一个基础指标。

基于表面肌电信号的膝关节动态力矩的BP神经网络估计

目的:提出一种利用表面肌电信号估计膝关节动态力矩的BP神经网络模型方法。方法:5名受试者完成从徒手至90%1RM的负重下蹲起实验,采集右侧股直肌、股内侧肌和股外侧肌的表面肌电信号,以滤波平滑归一化的表面肌电信号与膝关节角作为BP网络的输入,以逆向动力学计算获得的膝关节力矩作为期望输出,设计基于误差反向传播校正训练算法网络模型,用训练好的BP网络估计不同负重水平下蹲起产生的膝关节力矩。结果:1)网络中间层节点数为6,以30%1RM负重时股直肌、股内侧肌和股外侧肌的表面肌电联合膝角作为输入时网络性能达到最佳,其中,相同负重下测试数据的互相关系数和归一化均方根误差分别达到0.975和5.5%;2)负重增加时网络估计精度逐渐降低,均方根误差在90%1RM时最大达到18.5%。3)BP网络很好地映射了肌电与膝力矩数值上的非线性关系,而膝角则在预测膝力矩变化趋势上起关键作用。结论:以表面肌电信号和膝关节角作为输入变量的BP神经网络模型方法是实现自然运动状态下肌肉人体膝关节力矩准确估计的有效途径,训练好的BP网络能适应中高强度以下的不同负荷和动作速度。

不同硬度楔形鞋垫对膝关节内翻力矩的影响

目的研究不同硬度楔形鞋垫在步行状态下对膝关节内翻力矩的影响。方法 15名健康成年男性受试者穿着不同硬度楔形鞋垫进行步态测试,通过光学运动捕捉系统和地面测力板收集运动学和动力学数据,经Visual3D软件计算得出膝关节内翻力矩,分析在3种不同步行状况下(仅穿鞋、鞋中放入软、硬楔形鞋垫)膝关节内翻力矩峰值的差异。结果与较软的楔形鞋垫相比,较硬的楔形鞋垫可使膝关节内翻力矩的第1个峰值降低9.3%,第2个峰值降低9.7%,差异具有统计学意义。结论楔形鞋垫增加一定的硬度能更多降低膝关节内侧间室的压力,减轻关节面的磨损,从而可能缓解膝关节炎症状。

女子速滑运动员11人膝关节肌力特点分析

对我国女子不同级别速滑运动员11人进行Cybex 350型等动膝关节屈伸测试,随着肌肉收缩速度的提高,最大肌力矩趋于降低,并且胭脆肌与股四头肌力矩峰值的比率相应提高。

不同年龄女性排球运动者膝关节等速肌力测试

背景:当前对排球运动者膝关节等速肌力的研究,主要体现在与其他体育项目进行比较或分析左、右侧肌力的差异,而不同年龄段女子排球运动者膝关节等速肌力有何差异缺乏相关文献报道。目的:测试成年和少年女子排球运动者膝关节等速肌力、比较其差异。方法:采用德国产Iso Med 2000等速肌力测试仪,对女子排球成年组(n=62,平均19.0岁)和少年组(n=66,平均15.4岁)进行左、右侧膝关节不同角速度[60 (°)/s、5次,240 (°)/s、25次]屈伸模式测试。结果与结论:①膝关节峰力矩:成年组角速度60 (°)/s时膝关节左、右侧伸肌绝对力及角速度240 (°)/s时左侧爆发力大于少年组(P <0.05);膝关节相对峰力矩:成年组角速度60 (°)/s时左、右侧伸肌相对峰力矩及角速度240 (°)/s时左侧伸肌相对峰力矩大于少年组(P <0.05);②H/Q:成年组左侧绝对力H/Q小于少年组13.7%(P <0.05);③侧同名肌:成年组与少年组比较差异无显著性意义(P> 0.05);④肌肉耐力:成年组膝关节左、右侧屈肌和伸肌的肌肉耐力均显著大于少年组(P <0.05);⑤最大做功和功率:成年组膝关节左、右侧伸肌绝对力,左侧伸肌爆发力最大做功均显著大于少年组(P <0.05),成年组膝关节左侧伸肌绝对力,左、右侧伸肌爆发力最大功率均显著大于少年组(P <0.05);⑥结果说明,成年组女子排球运动者的膝关节伸肌绝对力和爆发力、屈肌和伸肌的肌肉耐力、伸肌绝对力的最大做功以及爆发力的最大功率优于少年组;成年组和少年组H/Q值偏小(小于0.6),成年组膝关节左侧绝对力的H/Q值小于少年组,建议增加成年组和少年组膝关节屈肌绝对力和爆发力的训练,提升H/Q值预防运动损伤。

不同年龄膝骨关节炎患者坐起生物力学特征的系统综述和Meta分析

目的:不同年龄的膝骨关节炎患者采取何种坐起策略尚未达成共识。为此,文章通过Meta分析系统评估不同年龄的膝骨关节炎患者与健康人坐起的生物力学特征,分析不同年龄患者的坐起运动模式,为改善患者坐起功能提供参考。方法:截至2023年3月,在PubMed、Web of Science和中国知网等数据库进行文献检索,纳入膝骨关节炎患者和健康人群坐起的生物力学特征的观察性研究,要求研究对象为膝关节影像学Kellgren-Lawrence严重程度分级≥Ⅰ级的50岁以上的膝骨关节炎患者,且定期出现膝关节疼痛,并根据纳入排除标准对受试者进行年龄(50-60岁vs.60岁以上)及严重程度(轻中度患者vs.重度患者)亚组分析。运用Down and black改良量表进行文献质量评价,采用Stata 16.0软件进行亚组分析确定不同年龄与严重程度的膝骨关节炎患者坐起的生物力学特征。结果:共14项随机对照试验(824例受试者)纳入Meta分析,所有纳入文献质量平均得分为76.2分,评分范围为66.7-86.7分,均达到中、高质量,具有一定代表性。Meta分析结果发现:①相比健康人,膝骨关节炎患者坐起总时长(SMD=0.92,95%CI:0.76-1.09,P<0.001)、伸展阶段时长(SMD=0.46,95%CI:0.18-0.74,P=0.001)更久;相比膝骨关节炎轻中度患者,重度患者总时长增加更明显(P<0.001),且60岁以上患者比50-60岁患者伸展阶段时长增加更明显(P=0.001)。②相比健康人,膝骨关节炎患者坐起躯干屈曲活动度(SMD=0.64,95%CI:0.37-0.91,P<0.001)更大;膝关节屈曲活动度(SMD=-0.47,95%CI:-0.70至-0.24,P<0.001)和踝关节背屈活动度(SMD=-0.32,95%CI:-0.56至-0.08,P=0.01)更小,且60岁以上患者的膝关节屈曲活动度比50-60岁患者下降更明显(P<0.001)。③膝骨关节炎患者髋关节屈曲力矩峰值(SMD=-0.57,95%CI:-0.83至-0.31,P<0.001)、膝关节伸展力矩峰值(SMD=-0.83,95%CI:-1.08至-0.59,P<0.001)更小。结论:①60岁以上膝骨关节炎患者比50-60岁患者坐起缓冲和伸展阶段的时长更久,且严重程度等级高的患者坐起总时长增加更明显,高龄与膝骨关节炎严重患者坐起时长增加,可能会使软骨承受负荷的持续时间增加,进一步加剧膝关节疼痛症状,增加该人群坐起难度。②膝骨关节炎患者表现出膝、踝关节屈曲活动度受限,且60岁以上患者膝关节活动度更为受限。③膝骨关节炎患者的髋关节屈曲、膝关节伸展力矩峰值减小,这可能是缓解疼痛的补偿策略。

矫形鞋垫在膝关节骨性关节炎治疗中的研究进展

膝关节骨性关节炎(KOA)是导致老年人慢性残疾的主要原因,KOA患者膝关节内异常的力学环境导致了更多的压力负荷集中于内侧间室。目前矫形鞋垫作为一种非入侵性治疗方法,主要通过改变膝关节的内收力矩减轻内侧间室的压力载荷。本文对KOA下肢生物力学、外侧楔形鞋垫在治疗KOA中的应用等方面进行综述。

太极拳典型动作与行走、广场舞、慢跑运动的膝关节动力学的仿真比较分析

目的:通过非损伤方式对太极拳、行走、广场舞、慢跑4种典型运动中膝关节胫骨平台的压力、力矩、载荷率进行了仿真计算,比较了太极拳与其他典型动作中膝关节胫骨平台动力学参数的差异。方法:运用ADAMS人体运动仿真软件,通过高速摄像、动作捕捉系统和三维测力台,获取了4种运动形式的数据参数,建立了太极拳、广场舞、慢跑、行走动作中膝关节动力学仿真模型。结果:比较膝关节垂直压力峰值,太极拳与行走、广场舞差别不大,但低于慢跑,且载荷率在4种运动中最小;而摆动腿矢向剪压力峰值在4种运动形式中无差异,但太极拳运动载荷率最低;比较横向关节力峰值,太极拳与广场舞、行走接近但小于慢跑,且太极拳载荷率最小;从屈、伸峰值力矩上看,太极拳低于慢跑、广场舞;但在内收、外展及旋内、旋外峰值力矩上,太极拳运动形式高于行走运动。结论:研究所建立的仿真模型真实性和可靠性较高(R21=0.956和R22=0.905),且方法简便;太极拳与行走对膝关节的载荷影响较一致;在额状面内,膝关节内外侧髁在对抗接触负荷上扮演着重要作用;太极拳膝关节力矩在额状面内绕矢状轴内收、外展力矩较其他两面的峰值力矩大;在矢状面内,太极拳峰值力矩最小,慢跑运动膝关节力矩峰值最大。这反映出太极拳运动在矢状面引起运动损伤的可能性较小,也有助于解释报道中其他运动矢状面内损伤发生率一般都高于额状面和水平面的原因。

髋关节肌康复训练治疗膝骨关节炎机制的研究进展

膝骨关节炎是临床上常见的慢性骨关节退行性疾病。髋关节肌训练以其操作简便、无创等优势逐渐引起人们的重视。髋关节肌训练对膝关节内侧间室负荷、膝关节周围肌群肌力、膝关节周围肌群肌电信号等产生影响,强的髋关节外展肌还能降低关节软骨恶化的风险,从而导致膝关节受力改变,进一步缓解膝骨关节炎患者的临床症状。本文将从生物力学模拟以及肌电信号的角度对髋关节肌训练治疗膝骨关节炎的机制做一综述。

八段锦特色护理训练对膝骨性关节炎患者PT、AP的影响

目的:观察八段锦特色护理训练对膝骨性关节炎(kneeosteoarthritis,KOA)患者伸肌收缩膝关节峰力矩(peak torque,PT)和平均功率(averagepower,AP)的影响。方法:选取本院60例KOA患者,随机分为对照组和观察组各30例。对照组实施常规护理,观察组在常规护理基础上联合八段锦特色护理训练。比较两组患者护理满意度、护理前后膝关节伸肌收缩PT、AP、平均关节活动范围(AROM)积分的变化,采用西安大略麦马斯特大学骨性关节炎指数(WOMAC)评估护理前后两组病情程度。结果:护理后观察组膝关节伸肌收缩PT、AP高于对照组(P <0. 05),膝关节伸肌收缩AROM积分低于对照组(P <0. 05);护理后观察组僵硬程度评分、疼痛程度评分、活动能力评分、WOMAC评分总分低于对照组(P <0. 05);观察组护理满意度93. 33%较对照组70. 00%高(P <0. 05)。结论:八段锦特色护理训练应用于KOA患者,可增强患者肌力,改善患者膝关节活动度,减轻膝关节疼痛、僵硬,提高膝关节活动能力,缓解病情,提高护理满意度。

太极倒卷肱对膝关节内侧间室应力的调节作用

目的:研究太极倒卷肱对膝关节内侧间室应力的调节作用。方法:利用三维动作捕捉系统及三维测力台比较20名健康人在正常步行与练习太极倒卷肱过程中膝关节最大屈曲角度(Knee Flexion),膝关节内收力矩(Knee Adduction Moment),膝关节内收角冲量(Knee Adduction Angular Impulse),踝关节外翻力矩(Ankle Valgus Moment),下肢前进角度(Foot Progression)。结果:相较于正常步行情况,进行太极倒卷肱练习时膝关节内翻力矩,膝关节内翻角冲量及膝关节最大屈曲角度显著下降(P<0.05),踝关节外翻力矩及下肢前进角度明显上升(P<0.05)。结论:太极倒卷肱动作练习可有效地降低膝关节内侧间室的应力。

举升力动态控制的电液辅助坐垫设计

针对老年人等下肢力量薄弱者坐姿起身困难的问题,设计了一种能在起身过程中动态调节举升力的坐垫。先利用惯性传感器获得起身过程中的关节角度数据,再结合SolidWorks的motion分析仿真了膝关节力矩。以动态补偿膝关节力矩为目标,设计了辅助坐垫的机械结构和电液驱动系统,并以Arduino UNO为控制器实施了液压压强控制。实验结果表明,设计的辅助坐垫能有效提供动态举升力,使得膝关节部分出力即能起身。

髋关节周围肌群与膝骨关节炎的相关性研究进展

通过计算机检索国内外的大型医学数据库，设定中英文检索词及检索时限，搜索与髋关节周围肌群、膝骨关节炎相关的文献，以介绍、评价髋关节周围肌群肌力训练在膝骨关节炎康复应用中的新进展和临床有效性，发现大部分研究证实了针对髋关节外展肌群的训练，尤其是臀中肌训练对改善膝骨关节炎的症状起到了至关重要的作用，是一项值得推广的康复治疗措施。

等速肌力训练改善脑卒中后患者下肢功能情况的系统评价和meta分析

目的系统评价等速肌力训练治疗脑卒中后患者膝关节肌力、功能性步行能力及动态平衡的康复效果。方法计算机检索PubMed、Ovid Embase、Web of Science、Cochrane Library、中国知网、维普和万方数据库,检索截止到2022年10月的所有关于脑卒中后下肢等速肌力训练的随机对照试验。运用Endnote X9软件进行文献的整理归纳。使用Cochrane 5.1.0版手册进行质量评价,采用RevMan 5.4软件对文献数据进行meta分析。结果研究共纳入20篇随机对照试验,干预组采用下肢等速肌力训练或结合常规康复训练,对照组采用常规康复训练或/和相关干预措施,共纳入1448例研究对象。Meta分析结果显示:干预组与对照组屈膝峰力矩[均数差(mean difference,MD)=5.85 N·m,95%置信区间(confidence interval,CI)(4.84,6.85)N·m,P<0.00001]、伸膝峰力矩[MD=9.09 N·m,95%CI(4.83,13.36)N·m,P<0.0001]、“起立-行走”计时测试[MD=–4.70 s,95%CI(–6.68,–2.72)s,P<0.00001]、10米步行测试[MD=–4.71 s,95%CI(–9.12,–0.31)s,P=0.04]、下肢运动功能评分[MD=6.61分,95%CI(3.52,9.70)分,P<0.0001]、Berg平衡量表评分[MD=5.61分,95%CI(0.91,10.31)分,P=0.02]差异有统计学意义。结论等速肌力训练可能改善脑卒中后患者的膝关节肌力,提高功能性步行能力,但对于患者运动功能和平衡的改善仍缺乏有力证明。